虚拟实验教学系统

虚拟实验教学系统（共12篇）

虚拟实验教学系统 篇1

1 现阶段的实验教学现状

我们可以直观的看到汽车硬件的相互关系, 了解各个部件的关系和作用。但是, 电子控制部件间相互关系却不是我们可以直接了解和掌握的, 就算我们可以通过电路图来分析其工作管理, 但其信号关系和逻辑知识却不是我们仅凭图纸就可以完全理解的。

目前的教学特点多数都是以理论课程为主, 实践课程较少。尽管学校也知道实践教学的重要性, 但现在的教学条件普遍很差, 现有的教学器材很难满足教学需要。例如:汽车发动机的台架数量较少, 新投入台架成本较高, 学校为了节约成本, 采用购买旧的发动机台架, 结果带来了性能差、维修增多等问题, 这样不仅没有节约教学成本, 更影响了教学效率。

虚拟实验教学可以很好的解决以上问题, 它不仅可以融合理论知识, 更可以实现教学实践。让虚拟实验代替真实实验, 不仅可以感受真实操作的兴奋感, 也节约了教学成本, 更提高了教学效率, 正是一举多得。

2 虚拟实验系统的组成及其安全功能

我们了解一下虚拟实验系统的工作原理, 它是借助计算机软件来实现虚拟操作的。这个系统是由计算机, 连接器, 采集器组成, 软件是其连接的桥梁, 计算机根据软件来判断干扰信号, 进而实现操作。这样不仅节省了教学成本, 而且维修起来也很方便。

计算机系统是需要提高其可靠性的, 这就需要计算机系统有其自身的判断和辨别能力。软件滤波和中断处理都能很好的提高计算机的安全性。在面对干扰信号, 软件滤波可以对其进行采样分析, 并把它进行转换, 最后得出结论。其常用的滤泡分析法有以下几种:低通法、程序判断法等。

中断处理也是软件必须具备的功能, 它可以在断电的情况下自我备份并保存信息。从而提高系统的安全和稳定性。

3 维护虚拟实验系统安全的方法

3.1 保持计算机及相关设备的散热, 控制好室内温度, 做好通风处理, 避免机器设备暴晒, 必要时安装空调等设备。

3.2定期除尘, 做好防尘。对计算机和机器设备要及时打扫、清洁。对机器内部灰尘要定期用毛刷或相关工具进行清理。避免机器设备电路元件被腐蚀或损坏, 以减少设备的使用寿命。

3.3传感器是重要的设备组件, 其敏感度很容易受到积尘和湿度的影响, 及时处理这些外在因素是保持其正常工作的关键, 一定要加以排除异常因素, 保证其正常工作。

3.4要勤观察计算机温度, 遇见计算机工作缓慢或者出现死机现象要及时处理, 检查风扇工作情况, 过滤器积尘情况, 避免计算机内部温度过高烧坏CUP及相关硬件, 在过滤器的清理工作中要注意过滤网要定期清尘, 以免等到过滤器堵塞时造成清理困难, 还有计算机温度要控制在55度以下, 如果温度居高不下, 一定要继续检查, 直到找到问题所在, 及时解决。

3.5 系统安全也要得到保护, 计算机要按照备份和杀毒软件, 这样可以保证计算机数据安全, 保证虚拟实验系统的正常运转。

4 介绍虚拟实验系统各组成部分的工作原理

图1显示了虚拟实验系统的组成框架, 这里其中显示了信号的采集过程。我们看出采集器的工作原理, PC机可以显示工作的状态, 当计算机连接汽车时, 软件可以记录数据, 保存数据;当计算机处于不连接状态时, 软件处于离线状态, 只显示工作原理。

(1) 连接器。它可以采集信号, 并不损害原车线束, 它的接口设计就是为了方便与车体连接。

(2) 采集器。这个设备还可以记录各传感器的电压, 传感器频率, 喷油器的脉冲宽度, 开关汽车的状态。这些检查结果可以发送给PC机。

(3) 虚拟实验系统软件。它可以分析和设计软件, 测试工程信号, 可以快捷的设计软件界面。不管发动机的变化多快, 该软件都可以迅速的记录实时变化, 这些结果可以被记录到系统中。在教学过程中可以不用连接车体就能观看发动机参数变化, 可以实现虚拟实验教学。

5 结语

虚拟实验系统不仅可以融合理论知识, 还可以实现教学实践;不仅可以对发动机的工作状态进行监控, 还可以诊断发动机的故障;不仅操作起来简单方便, 更不用投资过多的资金。该系统在教学应用中发挥着重要的作用, 我们一定要大力推广, 充分的利用其教学价值, 为更多的教学工作服务, 提高教学效率。

参考文献

[1]杨彦明, 魏振钢, 吴为团, 迟忠惠.一种智能化电路与电子技术虚拟实验系统[A].2004计算机应用技术交流会议论文集[C].2004

[2]孙荣平.电路与电子技术虚拟实验系统的研制与开发[A].全面建设小康社会:中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集 (上) [C].2003

虚拟实验教学系统 篇2

摘要：虚拟技术的发展使电子线路的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电子线路实验教学的现代化。

关键词： 电子线路EDA技术多媒体技术虚拟实验 1．电子线路虚拟实验概述

虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。EDA技术是一种以计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真和综合能力的软件工具。软件有多种，其中Multisim软件是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换等仪器，接通开关就可以进行和实物实验一样的测试分析了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的,与实物试验差别很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软件的突出优点是:元件及仪表均以实物形式重现,直观性强,可操作性高。

2．电子线路虚拟实验的实现 2.1实行虚拟实验的必要性

电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：

（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术，所以连接电路时极易出错。

（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。

（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。

（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。EDA技术恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：

（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。

（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。

（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。

2.2实验室的建构

作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承实物

实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多媒体电子技术实验系统应用软件。

3．虚拟实验示例

现以“单管基本电压放大器”为例，说明具体实验在虚拟实验室中是怎样开展的。实验中进行了一系列参数设置、波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。

首先计算机装上具有电子技术实验系统功能的软件，然后利用软件提供的元件和仪器在屏幕上搭建单管电压放大电路，如图1所示。

图1单管电压放大电路

图中信号发生器的输出信号频率为1kHz，幅度为VP-P=20mV的正弦波；万用表用于测量各点的工作电压；示波器用于测量各点的波形。

接通虚拟直流电源开关，调整电位器Rw，使电路处于最佳放大状态，示波器就显示出波形失真最小、输出信号幅度最大的反相放大波形；Rw调至阻值最大时，三级管接近截止，输出幅度较小的截止失真波形；调至阻值最小时，三级管接近饱和，输出饱和失真波形。图1中显示为三极管放大状态时示波器面板显示图。

通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较，得出基于EDA软件的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的实验要求和实验目的的结论。

4虚拟实验在教学中的应用 4.1功能作用

a.辅助课堂教学

传统的电子线路教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的

变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。

b.代表实物实验中理论的验证、电路分析和数据获取等部分的操作 辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验电子线路理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。

c.便于学生发挥创造性思维

教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。

d.完善电子线路的远程教学 实验虚拟化，把实验室搬到了网络，对于电子线路这门操作性很强的课程来说，更加完善了电子线路的远程教学。

4.2运用基础

与传统实验一样，实验仿真软件在设置实验时，首先明确该实验要解决什么问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究，认识该学科的特点，划分知识点，尤其是重点、难点，而且还要充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容，编写实验指导书，让学生在具备电子线路基本知识的基础上开展虚拟实验。

4.3工作流程

在虚拟实验室中做实验的基本流程程序结构（如图2所示）。

图2实验基本流程方框图

因为我们的教学主要是理论传授，不需要去开发和设计电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上，还有非凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。

在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题：一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况，及时进行个别辅导；二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行情况交流，使上机操作变成学生自己的活动，影响教学。因此就要求建立一种虚拟试验的教学模式，使教学信息交流双向化。

4.4虚拟实验室课堂的教学模式

由于虚拟实验室加入了教学的环节，打破了传统教学的流程，势必要求制定出新的教学模式以适应发展的需要。根据建构主义理论和教学设计理论的有关知识，可建立以下两个教学模式（如图3所示）：

图3a实物实验教学模式方框图图

图3b虚拟实验教学模式方框图

第一种模式是先做1~2次实物实验，学生有了形象体验后再做虚拟实验，对于从事没有实物操作经验或抽象思维能力、形象化能力较差的人，这样做效果会好些；理工科的学生关于电子实物制作一般都已有所接触，所以第一、二种教学模式他们都能较好地接受。教师可根据教学和实验效果适当变更。

5建立虚拟实验室，推广电子线路远程教学

在信息社会中，知识的更新速度很快，各学科间的相互交叉渗透更为普遍，一次性的学校学习将不能满足信息社会对人才的需求。这就使得各层次的教育必须面向社会，以服务于不同需求的社会人群。这个教学任务是传统的教学手段所不能胜任的。Internet的飞速发展和普及，使这一教学任务的实现成为可能。

教学软件与Internet接轨才能在人们广泛的继续教育、培训教育乃至终身教育中显示其优势性能，充分发挥重要作用。本软件就是让电子线路实验教学与Internet接轨的良好工具。使用本技术的虚拟实验室可以有效地配合网上电子线路理论教学，原有的电子线路CAI加上虚拟实验将使网络教学更加完善，便于推广电子线路教学的远程化。

虚拟实验教学系统 篇3

[摘 要]为满足我校液压专业液压系统微机控制课程的理论和实验教学需要，可以设计一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。该系统可实现从虚拟操作台操作到PLC梯形图运行、电气元器件动作和虚拟液压系统动作的实时全联动，能够直观、逼真地显示真实液压系统微机控制中内部控制信号间相互作用和传递的全过程，解决学生学习过程中对隐藏于控制系统硬件内部的控制信号感觉抽象、难以理解的问题。

[关键词]液压系统；可视化；PLC；虚拟教学实验系统

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0137-03

虚拟实验从20世纪80年代开始，在国外实验教学方面逐步得到应用和推广。国外的一些大学目前已经建立了较完善的虚拟实验室。国内开展虚拟教学实验起步较晚，高丽萍等在组态软件MCGS的基础上，研究提出了虚拟PLC系统的方案[1]；叶力等设计了基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统，解决了GX与MCGS的通信问题[2]；王海涛等借助于易控组态软件，构建一种全虚拟PLC控制系统，以工业清洗机的控制系统为例，给出了全虚拟PLC系统应用的方法[3]；任丰兰开发了基于组态王和PLC软件虚拟仿真的教学实验系统，建立了虚拟仿真的教学实验系统的三个模型，并运用PLC和组态王软件对其进行了仿真[4]；陈海生等开发了一种面向全虚拟PLC的远程试验系统，模拟上下位机的实际PLC系统，并通过Web发布将平台与各个终端机相联实现资源的远程共享。[5]目前，国际和国内各高校所开发的虚拟教学实验系统存在以下主要问题。

1.开发的虚拟教学实验系统都是针对自己学校有关专业实验教学相配套的虚拟教学实验系统，通用性不强。

2.所开发的虚拟实验系统的实验过程，一般只包括在虚拟实验操作台上操作和对应操作下的虚拟被控对象的模拟动作显示，而隐藏在整个控制系统硬件里面的内部控制信号之间是如何传递、相互影响和作用等知识内容，在已有的虚拟实验系统中都无法表示出来，而且这些知识内容即使真实的液压系统微机控制实验设备实验时也无法直观看到和学到。但是这些知识内容却是学习液压系统微机控制的关键核心内容，也是学生在学习液压系统微机控制课程中感觉抽象、无法理解的东西。为了解决这些问题，本项目组设计了一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。

一、虚拟教学实验系统方案

本虚拟教学实验系统方案由虚拟液压系统模块、虚拟操作台模块、虚拟PLC模块、通讯模块、实验管理模块五部分构成。

其中虚拟液压系统模块用来模拟各种真实的液压系统在控制信号作用下的控制动作过程；虚拟PLC模块通过在计算机中模拟一套真实的PLC，对编写的控制程序进行下载和运行的实时监控；虚拟操作台模块是用来模拟真实控制系统操作台上的各种按钮，开关来接收实验操作者的输入指令；通讯模块用来实现虚拟PLC模块、虚拟操作台模块和虚拟液压系统模块三者之间的信号通讯，实现操作者操作、PLC控制和被控液压系统之间的实时全联动；实验管理模块主要负责实验操作者登录、实验项目调用、实验数据处理、打印等工作。

二、虚拟实验系统各模块的实现

本虚拟实验系统各个模块的功能是依靠计算机上安装的组态王组态软件、三菱PLC编程软件GX Developer、三菱PLC仿真软件GX Simulator和提供OPC服务的MX OPC Server等软件来实现的。

（一）组态王软件的应用

1.建立虚拟液压系统模块。可通过Flash动画制作软件或Pro/E三维设计软件建立虚拟二维或三维液压系统动作模型，在组态王软件中根据虚拟PLC输出控制信号进行相应动作的编程调用。图1为在Pro / E中设计的液压振动台三维模型。

2.建立虚拟操作台模块。在组态王的画面设计中通过调用图库中的各种按钮、开关、指示灯等来搭建与真实电气控制操作台功能相同的各种类型虚拟操作台。图2为建立的虚拟操作台的工作界面。

3.建立实验管理模块。实验管理模块是在组态王软件下根据不同的实验调用相对应的实验操作台模块和虚拟液压系统模块来模拟虚拟液压系统PLC控制的实验过程和实验结果。图3是为本虚拟实验系统设计的实验项目管理界面。

（二）GX Developer+Simulator的应用

虚拟PLC模块的实现是依靠三菱PLC软件GX Developer和GX Simulator来实现的。GX Developer主要提供PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。编写好的PLC控制程序通过调用GX Simulator实现已编控制程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。梯形图的编写和虚拟PLC的模拟运行如图4所示。

（三）MX OPC Server的应用

虚拟PLC模块与组态王软件里的虚拟液压系统模块和虚拟操作台模块三者之间不能直接进行信号传输，它们之间通讯由MX OPC Server来完成。

1.MX OPC Server与虚拟PLC模块通讯。在MX OPC Configurator中通过建立虚拟实验系统通讯数据库来连接虚拟的PLC以及对虚拟PLC的输入、输出变量进行定义。在MX OPC Configurator中连接虚拟PLC（名称为XuNiPLC）及输入、输出变量的定义如图5所示。

2.MX OPC Server与组态王的通讯。首先在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服务器；其次在组态王软件数据词典中建立相应的变量并与0PC服务器中虚拟的PLC对应的变量进行连接，同时可对变量的名称、类型、连接设备、采集频率以及寄存器和读写属性等进行设置。建立变量X6及OPC连接如图6所示。

三、液压系统PLC控制虚拟实验系统设计实例

机床工作台液压系统是比较典型的液压传动系统，几乎所有的液压传动教材都对其工作原理进行了详细介绍。因而机床工作台液压系统的PLC控制是液压专业学生学习液压系统微机控制课程最恰当、最适宜的液压系统PLC控制应用实例。

（一）机床工作台液压系统PLC控制原理

根据其液压工作原理和控制过程要求，对该液压系统的PLC控制进行PLC选型和端子分配，共需要8个输入点，6个输出点，选用三菱FX2N系列PLC可以满足上述需求，电路外部接线图如图7所示。具体控制过程如下：按下启动按钮SB3，电机带动液压泵启动；旋转开关QS2转到加压位置，电磁溢流阀线圈得电，液压泵加载给工作台供油；当QS1处于手动模式时按下左移按钮SB1，电磁换向阀线圈YA0通电，换向阀给液压缸右腔供油，液压缸带动工作台左移，当工作台左移碰触到行程开关SQ1后线圈YA0断电工作台停止左移；按下右移按钮SB2，电磁换向阀线圈YA1通电，换向阀给液压缸左腔供油，液压缸带动工作台右移，当工作台右移碰触到行程开关SQ2后YA1断电工作台停止右移；当QS1切换到自动模式时工作台自动执行上述左移、右移的动作；按下停止按钮SB4时所有电磁铁失电，油泵卸荷，工作台停止运动。

（二）机床工作台液压系统PLC控制虚拟实验系统的设计与运行

1.在组态王软件下依照机床工作台液压原理图和PLC控制接线图建立虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台，并用信号线将虚拟液压系统及虚拟操作台上的接线端子与PLC图片上的X、Y对应端子相连；把虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台的变量与组态王数据词典中已定义的变量进行关联。在组态王中建立的机床工作台虚拟实验系统如图8所示。

2.确保在OPC Server中建立的虚拟实验系统通讯数据库处于活动状态，同时运行GX Developer和组态王对机床工作台液压系统PLC控制过程进行虚拟实验。下面以手动左移为例，介绍控制信号的整个传输过程。当按下左移按钮时，控制信号流入PLC的X2端口；同时在GX Developer梯形图中X2接通，线圈Y0得电，PLC的Y0端口内部继电器闭合，控制信号从PLC的Y0端口流向电磁换向阀右电磁铁YA0，电磁铁得电给油缸右腔供油，工作台左移。此时组态王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4处于高电平状态，相应的指示灯点亮，同时连接信号线变成红色表示有控制信号流过。操作台、液压系统和PLC之间的控制信号传输见图9所示，PLC内部梯形图概念电流流向如图10所示。

四、总结

本文将虚拟现实技术、计算机信息技术应用于液压系统微机控制课程的可视化虚拟实验教学中，其主要特色如下。

1.利用组态技术、虚拟现实技术和二、三维建模和动画制作技术，实现液压系统PLC控制从操作台操作到被控液压系统响应的整个控制动作全过程的可视化，同时实现虚拟实验台操作、梯形图运行、虚拟液压系统动作之间的实时全联动，将隐藏在整个控制系统硬件内部的控制信号相互作用和传递的全过程直观、形象、逼真、生动地显示出来，达到较好的教学试验与应用效果，同时加深学生对理论教学的理解。

2.虚拟教学实验系统在实验项目的设置上，既考虑我校液压学生毕业就业领域及非电类专业学生学习PLC控制的特点，又兼顾真实液压系统微机控制实际工程项目的设计开发流程，非常有针对性和实用性。

3.利用本虚拟教学实验系统，不仅可以开展虚拟被控对象（虚）+虚拟PLC（虚）模式实验，也可开展虚拟被控对象（虚）+实物PLC（实）模式实验，用PLC实物实验验证虚拟实验的正确性。

4.本虚拟实验系统具有开放性和极好的扩展性，后续可开发出其他被控系统（如水泵系统、风力机系统等）微机控制虚拟实验项目，可满足我校其他专业学生控制类课程的实验教学需求。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 高丽萍，郑萍.基于MCGS的PLC虚拟控制系统研究[J].西华大学学报（自然科学版），2006（25）：94-96.

[2] 叶力.基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统研究[J].中国现代教育装备，2007（12）：39-41.

[3] 王海涛，郑萍.基于易控组态软件全虚拟PLC的实现及应用[J].微计算机信息，2010（25）：83-85.

[4] 任丰兰.基于组态王和PLC的虚拟仿真教学实验系统的开发[J].机电工程技术，2012（3）：43-47.

[5] 陈海生.全虚拟PLC远程试验系统的研究与开发[J].自动化仪表，2013（3）：28-30.

[6] 魏列江.液压系统微机控制[M].北京：电子工业出版社，2014.

虚拟实验教学系统 篇4

关键词：高职院校,虚拟实验,评估

计算机技术的快速发展,使高职院校在教育信息化与管理的各个环节上都得到了相应的发展。如何更好地利用计算机信息为学校教学服务,已成为软件开发人员首要研究的问题。在这一背景下,高职院校教学评估体系应运而生。

一、高职院校虚拟实验教学评估问题的提出

对高职院校而言,虚拟实验教学评估体系具备良好的实用性。高职院校虚拟实验教学评估体系是否科学,直接关系到其管理工作能否有序开展。由于计算机本身所具有的运行速度快、精确性高、数据与信息可靠性强、资料查找方便等一系列优点,使得教职工的工作量有着不同程度的降低,其效果格外显著[1]。

二、高职院校虚拟实验教学评估体系的设计

(一)设计原则

基于传统模式下的实验教学评估原则,考虑到虚拟实验室本身的特点,给出以下设计原则:

第一,非常规性原则。计算机作为虚拟实验室影响的基础条件,从技术角度分析,其本身被划分到计算机辅助教学范畴之内,借助研究结论,评估非常规实验教学。第二,以定量评价为主原则。在设计指标体系时,需要考虑到哪些数据可以在虚拟实验室系统中储存,如何分析数据,通过实际的数据将教学目标的具体要求讲清楚。为了将定量评价的具体结果呈现出来,也可以控制定性评价, 将其控制在一定的范围之内。第三,以学生为中心原则。 在实际教学中选择学生学习的一个恰当方向全面评估教学质量。第四,科学性原则。科学性主要包含整体的完备性和相对的独立性两个方面,体现在是否便于操作上。根据上述评估原则,可以确定指标体系设计的大概方向[2]。

(二)实验评估

第一,在虚拟实验准备过程中,要做好发布与搭建两方面的工作。因此,在实验之前需要建立“实验建设”这一级指标。第二,在搭建虚拟实验系统之后,就可以开展相应的实验,教师对实验进行指导。因此,在实验中需要建立“教学过程”这一级指标。第三,在完成虚拟实验后, 即在学生点击提交程序之后,就可以对教学活动作评定, 如学生对实验掌握的基本程度、实验所取得的成绩、学生对教师作出的评价等,这些都属于现实的教学结果。因此,实验之后需要建立“教学效果”这一级指标。

(三)虚拟实验平台评估

在评估虚拟实验室教学质量时,不单单要评估教学过程和结果,同时还要对实验平台作出针对性的评估,以达到虚拟实验室特点的要求。

在虚拟实验中将虚拟实验平台整个时间段都体现出来,平台本身的性能会直接影响到虚拟实验教学质量。所以,虚拟实验平台评估需要建立实验环境一级指标。实验环境一级指标的具体划分见下图。

实验环境一级指标的具体定义:

第一,故障报错次数是指最大限度地报错次数允许值。其中,故障类型主要包括软件病毒、停电、网络故障等。第二,系统MTBF是指整体系统平均无故障的时间。 第三,最大并发数是指在相同时间段中,系统实际最大访问的允许量。第四,人机交互是指学生在人机交互界面运行时所产生的满意程度。第五,兼容性是指在Windows XP、MAC等系统之下虚拟实验软件系统具备的兼容性。

三、高职院校虚拟实验教学评估指标的实现方法

(一)指标处理过程

在虚拟实验评估系统中,其数据主要来源于实际应用环境中所收集到的数据,具有数据量大、信息多等优点。 因此,必须满足评估系统的准确性、高速性等方面的要求。 对指标的处理如下:

第一,传输数据,并做好对应的解析。第二,在处理数据时,需要设定数据的具体格式,满足指标的一一对应,并且将指标结果存放在数据库中。第三,计算数据,应该考虑到数据指标实际的完成度。第四,结果应该得到相对应的显示。

(二)数据处理过程

在得到评估数据后,可以确定各项指标数据,做好相应的评估,确定处理过程。本节主要是以小指标作为入手切口,对原始数据做好具体的分析,明确XML文件的定义,再对指标的读取与处理作详细设计,提出评估结果的计算公式。对数据的具体分析,本文以开放率和参与率为例。

1.实验开放率

考虑到XML数据源,其详细数据如表1所示:

首先,选择目标课程的名称〈Coursename〉,读取实验发布时间和结束时间,在这一段时间内,需要将第一个发布实验的时间以及最后一个实验的结束时间确定出来; 其次,在选择好目标实验后,读取实验名称和实验id; 最后读取实验发布时间和结束时间,对数据的读取过程如下:

开始→目标课程选择→读取〈EXP_Release Time〉和 〈EXP_End Time〉→T1= 第一个实验〈EXP_Release Time〉→ T2= 最后一个实验〈EXP_End Time〉→ 选择目标实验 → T1= 读取目标实验〈EXP_Release Time〉→T2= 读取目标实验 〈EXP_End Time〉→结束

根据公式( 1) 将目标实验的开房率EOR计算得到:

其中CTETL表示目标课程的总时长,Opentime表示实验开放的时间,其中T1表示第一个实验发布时间,T2表示最后一个实验结束时间,t1表示目标实验发布时间,t2表示目标实验结束时间。

2.参与率

对于XML的数据源如表2所示:

首先做好目标课程的选择,然后确定目标实验,读取实验的名称与id,最后读取相应的班级、学生和实验提交状态。数据的读取过程如下:

开始→选择目标课程→选择目标实验→读取班级id →SN = 读取学生id〈St_id〉的总和→SNL = 实验提交状态 〈St_Expsubmitstate〉的总合→结语

根据公式( 2) 就能计算出目标实验的参与率S-CPR

其中,SN表示选课的学生实际数量,SNL表示参与到实验中的学生实际数量。

(三)结果

对评估结果进行科学的显示,才能找准自身所关注的信息,满足评估主体的实际需求,确保评估效果符合自身要求。相比传统的表格形式,柱状图、饼形图可以将实际的价值体现出来。因此,本文选择了JFree Chart的图形生成法[3]。

在JAVA平台上,JFree Chart作为开放的图标绘制类库是通过JAVA语言编写的,其设计主要是为了方便JSP、 applets、servlets的使用。JFree Chart能够生成柱状图、饼状图、时序图以及散点图等多种图标,其输出格式有JPEG和PNG,同时也能够与EXCEL和PDF相互关联。

虚拟实验教学系统 篇5

实验目的：

实验内容：

一、Windows Server2003的安装

1． 打开桌面VMware Workstation（虚拟机），进入Home选项卡，选择New Virtual Machine

选项。

2． 选择典型（Typical）安装后，在Microsoft Windows的Version中选择Windows Server 2003

Enterprise Edition版本。

3． 选择合适的安装目录

4． 网络类型选择Use bridged networking，完成平台的搭建，VMware Workstation出现

Windows Server2003 Enterprise选项卡。

5． 开始安装Windows Server2003，在VMware Workstation的Windows Server2003 Enterprise

选项卡中双击CD-ROM，在弹出的对话框中选择Use ISO image，然后点导入一个win2003.ISO文件，点击ok。

6． 在VMware Workstation的 Windows Server2003 Enterprise选项卡中选择Start this cirtual

machine 就开始安装Windows Server2003 Enterprise了。

7． 产品序列号为CPWMR-DB94Q-2FMHX-KFK6R-X7FDY

8． 等待安装完成即可。

二、Windows Server2003安装后的优化

1． 优化界面：首先安装VMware Tools：在VMware Workstation的 Windows Server2003

Enterprise选项卡点击鼠标右键，选择Install VMware Tools。

思考：怎么样在桌面添加“我的电脑”、“网上邻居”等图标。

接着，显示桌面主题：点击“我的电脑”右键选择“管理”。在弹出的“计算机管理”对话框中选择“服务和应用程序”中的“服务选项”，在右边的框中双击“Themes”，在弹出的对话框中启动类型选择“自动”，服务状态选择“启动”点击确定完成。这样就可以显示Windows Server2003 Enterprise版本的经典桌面了。

2． 在关机时不显示“关闭事件跟踪程序”

在此时，点击关机，会看到有“关闭事件跟踪程序”这一选项。接下来我们通过设置，关闭这一选项。

在“运行”中输入gpedit.msc，弹出“组策略编辑器”，双击“计算机配置”的“管理模板”中的“系统”中的“显示关闭事件跟踪程序属性”，在弹出的对话框中选择“已禁用”，完成后，可再点击关机选项，看看有什么不同。

3． 添加Windows组件

虚拟实验教学系统 篇6

关键词：外科学 教学实践 虚拟手术系统 应用

中图分类号：G421 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）05（b）-0086-01

近几年来，伴随着科学技术的发展和人类生活质量的提高，对现代医疗技术水平的要求也明显提高。就外科手术中已推广临床的内窥镜手术来说，因其具有创伤小、安全性高、手术时间短、术后痛苦小、恢复快等特点，深受患者和家属的青睐。但这种手术操作步骤繁琐，需要在极小的空间完全依赖窥镜来了解病症，并通过窥镜使用各种手术器械将病灶切除，最后缝合切口，因此，这样复杂的手术需要医生具有更高的的操作技术水平，从而提高手术的成功率。因此，对医生进行长期而有效的培训是提高手术成功率的有效措施。所以在现代医疗技术快速发展的今天，需要培养更多优秀的医疗工作者，才能使现今的医学行业登上更高的峰巅。本文对通过计算机结合医学理论而构成的虚拟现实技术的手术系统在外科治疗教学实践中的特点、应用及发展方向进行探讨分析。

1 虚拟手术系统的特点

虚拟手术系统是一种将医学理论与计算机结合，产生一个触觉、视觉和听觉都高精度的虚拟环境，使工作者置身于此环境中通过各种专门配备的传感器进行实体的交互控制及考察，从而能够达到让工作者模拟现实技术，真切的感受到自己亲自上手术的目的。

虚拟手术系统是由硬件设备、医学数据库、软件系统三大模块构成的。其中的硬件设备主要由传感器和微型计算机构成，而硬件设备最重要的作用是输入输出及存储信号。而传感器又包含三维鼠标和眼镜、数据手套等[1]。微型计算机中包括各种医学数据库和虚拟手术的操作系统。

虚拟手术系统是将现实数据作为基础，以人体结构为中心重新建立三维体系，其具有可评价以及实时反馈等特点[2]。在模拟现实技术实施虚拟手术时，操作者佩戴3D眼镜后会立即将自己与虚拟出的环境融为一体，在高度逼真的三维设备引导下，主计算机将会收到虚拟的手术器械在空间中的位置以及运动的相关信息，从而可以很好的达到人机交互的目的。在操作过程中，将高度仿真的手术器械置于操作者的手套内，使操作者能够真实地感受到切割人体组织所反馈回来的压力，使其能够按照实际的手术操作步骤完成手术[3]。

虚拟手术系统不仅可以自动监测医生的所有操作情况，并且主计算机还能精确收集到各种相关数据，然后对此次手术练习中出现的问题和手术器械是否损害人体的健康组织等相关方面做出详细评价，并给出合理的解决方案，从而可以使学生们不断的在练习中逐步增加自己实际操作技术运用能力。虚拟手术不仅缩短学生的培训时间，也省去选择合适的实验对象的麻烦。因此，对于外科手术教学实践来说，虚拟的手术系统是一种有效的评价操作技能的可靠方法。

2 虚拟手术系统在现代医学教育中的应用

现今社会，随着手术要求的逐步提高，对医生的操作水准的要求也越来越高，因此，为了培养出优秀的医务工作者，虚拟手术系统为外科手术的教学实践提供了一个重要平台。虚拟手术操作系统是通过收集来自虚拟手术过程中的各种医学数据，医生在计算机建好的虚拟环境下根据手术的实际操作技术，进行外科手术演练，包括手术的方案制定、技能培训以及术后的恢复情况等。其不仅有助于提高学生们的操作能力，同时也帮助老师能更清楚的为学生们讲解手术所需的注意事项、难点和重点以及需要纠正的错误和改良方案等。这种虚拟手术系统应用于外科教学中，会给年轻医师成为优秀的外科手术能人缩短了大笔时间[2]。

3 虚拟手术系统的未来发展

近几年来，随着科学技术的发展与普及，虚拟手术系统已越来越受到医务工作者的高度重视，因此，虚拟手术系统的技术操作水平也在不断的进步与提高。但因人体体质的多元化特征，所需的模拟手术系统的实用性也需要逐步加强，所以为了更好的满足教学所需，在行虚拟手术时，仍要不断的收集并分析反馈给主计算机的医学数据，使外科手术的教学质量得到更有效的提升。因虚拟手术系统可以为学生们带来一个高度逼真并且犹如亲身实战的手术氛围，使其更好的模拟现实手术技术，进行实战演练[4]。所以这种高度逼真的实战演练不仅将在外科医学中得到更广泛的应用，也会与现代的医学科技发展、新军事的变革思想、教学理论的发展相适应，结合医学相关的基础知识、理论和技能等，会更好的发挥出虚拟手术的科学性、先进性、适用性、启发性和思想性等，这无疑为医学科技领域的进步与发展提供一个重要平台。而传统的手术演练是医生自己通过在脑中构思好手术方案并在脑中构成三维印象进行手术操作演练，这种练习方式比较客观、死板。而计算机创建的虚拟手术系统不仅可以避免这些问题，同时还能够很好的完善手术方案，让整个手术练习者都会共同分享此过程，让大家都会切身体会到虚拟手术系统带来的真实感。

4 结语

虚拟手术系统在外科手术治疗的教学实践中的应用已逐步普及，并且在不断的完善中取得进步。几年来，伴随着各个国家对虚拟手术技术逐步重视，我们相信模拟现实的手术技术将会在医学教学领域中得到更好的发展，使之替代传统手术演练的客观性，使医学教学实践更上一层楼。

参考文献

[1]吴奇，程薇曦.虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J].重庆医学，2008（21）：110-112，117.

[2]范立冬，李曙光，张治刚.虚拟现实技术在医学训练中的应用[J].创伤外科杂志，2008（6）：94-96.

[3]宋兵，吴竣立，徐皓，等.关于提高外科实习质量的探索[J].南京医科大学学报：社会科学版，2010，10（1）：75-77.

虚拟实验教学系统 篇7

随着科学技术的发展, 教学手段实时更新, 利用虚拟实验系统进行实验教学是目前实验教学中采用的一种新型的教学模式。传统的《数字逻辑》实验教学在许多方面都滞后于形势的发展, 成为教育现代化和创新人才培养的阻力。EDA仿真技术在进入21世纪后, 得到了很大的发展, 同时也冲击和改变着传统的《数字逻辑》实验教学, 给提高《数字逻辑》实验教学的质量和创新人才的培养带来了新的机遇。

1传统《数字逻辑》实验教学的局限性

《数字逻辑》实验教学目的是让学生掌握掌握数字逻辑电路基本概念、基本理论、基本方法, 巩固理论教学成果, 同时培养学生系统设计的能力、自主开发能力和创新能力。但由于传统的教学模式存在一定的局限性, 从而影响了实验教学的效果, 主要表现在如下几个方面:

1.1过分强调实验结果, 而忽略了学生自主设计的过程。在传统实验的过程中, 很多学生只是机械的按照实验指导书上的电路图连线, 不能自主地参与到设计中去, 从而造成了知其然而不知其所以然的情况。

1.2对于一些较复杂的实验, 学生需要投人大部分的精力和时间进行电路连接和线路的检查, 而用于对实验出现的问题进行分析、解决的时间明显不足, 实验效果不理想, 不利于学生从实验整体上进行把握。

1.3实验室储备的电子元器件有限, 无法满足各种电路的设计和试验要求, 实验的规模有限, 从而限制了学生自主开发能力和创新能力。

由于传统实验教学以上的弊端, 建立《数字逻辑》虚拟实验教学系统就成为必然。

2《数字逻辑》虚拟实验教学系统的构建

虚拟实验利用虚拟现实技术, 根据物理性的实验原理, 在计算机软件平台上实现对实验器材、实验过程及实验结果等信息的模拟, 使其产生在功能、行为和感官等特性方面与实际物理性实验尽可能相同的效果, 是目前一种新型的实验教学模式。针对《数字逻辑》实验教学的特点, 笔者给出了一种基于Web技术和EDA仿真技术的《数字逻辑》虚拟实验教学系统。

2.1利用Web技术建立虚拟实验室虚拟实验室 (Virtual Laboratory) 概念是由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫 (William Wolf) 教授于1989年首先提出的, 它描述了一个基于网络通信技术和多媒体仿真技术的虚拟实验室环境。基于Web技术建立的虚拟实验室, 突破了空间和时间的限制, 为学生创造了一个开放友好的实验平台, 还极大方便了资源共享和信息交流, 使实验内容更丰富, 实验更高效。笔者根据实际教学经验设计了虚拟实验室, 如图1, 该实验室不仅提供虚拟实验教学涉及的资料以及难点提示等, 同时注重学生与老师之间的交流, 从而使实验达到很好的效果。

2.2利用EDA仿真技术进行实验EDA是电子自动化 (Electronic De s ign Autom ation) 的缩写, 是现代电子设计技术的核心, EDA技术是依托强大的计算机, 在EDA工具软件平台上, 完成逻辑设计、逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合、结构综合及优化和仿真测试, 实现所有系统设计的要求。

在传统《数字逻辑》实验教学中, 受元器件的影响, 实验规模有限, 同时器件翻新和淘汰十分迅速, 造成了实验室器件跟不上时代的发展, 而EDA技术具有数以万计的元器件和各类精度极高的虚拟仪器仪表, 给学生提供了广阔的设计资源, 学生的设计能真正做到随心所欲、百花齐放, 有效的提高了学生自主动手能力和创新能力。

EDA仿真技术常用的软件平台是MAXPLUS II, 学生可以使用MAXPLUS II来进行仿真设计, 而设计图、程序代码、波形图等可以传到基于Web的虚拟实验室里供教师检查, 这样EDA仿真设计和虚拟实验室就构成了一个完整的《数字逻辑》虚拟实验教学系统, 如图2。

3数字逻辑虚拟实验教学评价

在传统的数字逻辑实验教学评价中, 对学生实验评价的指标过于单一, 过分依赖于学生的实验文档;而在虚拟实验系统教学评价中, 教师除了评价学生的实验文档, 分析实验操作的逻辑性、完整性之外, 还将学员在虚拟教室里参与的情况纳入评价范畴来考虑, 比如学员参与讨论的次数、与其他同学网上协作的情况、与教师互动的状况等, 虚拟实验系统对虚拟试验教学的全过程实现了自动记录和控制, 这就为虚拟实验教学效果的评价提供了很好的客观依据。

4结束语

利用Web技术和EDA仿真技术构建《数字逻辑》虚拟实验教学系统, 克服了传统实验模式的局限性, 给学生提供了一个广阔、开放的实验平台, 在加深学生对这门课理论知识掌握的同时, 极大地锻炼了学生的交流能力、动手能力和创新能力, 有益于全面提高了学生的实验素质。

摘要：本文分析了高校传统《数字逻辑》实验教学的局限性, 提出了一种利用Web技术和EDA仿真技术构建的虚拟实验教学系统, 有效地解决了传统《数字逻辑》实验教学的种种弊端, 对提高实验教学效果和培养学生实验素质能起到明显的促进作用。

关键词：虚拟试验,Web技术,EDA仿真技术

参考文献

[1]张晓晖, 杜学东.EDA仿真技术在《数字逻辑》实验教学中的应用.科技信息.2008.26 (20) :220-221.

[2]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海交通大学出版社.1997.

虚拟实验教学系统 篇8

一、体验式虚拟实验教学系统及其功能

随着信息技术的日新月异, 教育技术本身的革新也不断深入, 很多新的教育技术方法不断开发使用, 体验式虚拟实验 (Experienced Virtual Lab, EVL) 就是其中之一, 它主要是在建构主义学习理论的指导下借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境, 实验者可以像在真实的环境中一样体验实验过程, 所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。体验式虚拟实验教学作为一种较新的改进和提高实验教学质量的方法, 被应用到教学中。给传统的实验教学注入新的活力, 丰富了实验教学的形式, 降低了教学成本等多方面的作用。

1.体验式虚拟实验教学给传统的实验教学注入新的活力

传统的实验教学过程中由于实验设备更新、教学资源、教学方法等原因提高教学质量已经很难了。体验式虚拟实验教学系统的引入可以开设传统实验教学中由于实验仪器缺乏或有危险性而不能开设的实验项目, 因为在虚拟实验教学过程中扮演真实实验仪器角色的是虚拟实验对象, 对象具有开发的随意性, 因此大大增强了实验教学的灵活性和方便程度, 让学生以间接的方式获得直接经验, 深化学生的认知层次, 再现实际生活中难以观察到的自然现象或难以体验到的认知感受, 为学生提供生动、逼真的感性学习材料, 帮助学生解决学习中的知识难点。[1]

2.体验式虚拟实验教学强化学生创新意识, 提高创新能力

实体创新实验室建设, 需要较为先进的仪器设备, 要能跟上当前技术的发展, 而这些设备都比较昂贵, 一般高校经济实力不够, 这样就缺乏学生创新的物质基础, 学生脑海中的设想无法外显, 学生无法体验成功的喜悦, 也就激发不起学生的创新意识。体验式虚拟实验教学, 可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行模拟, 通过虚拟系统可以尝试, 测验自己假设的条件所产生的结果或效果, 验证自己的设想, 增强学生的求知欲、创新意识和敢于突破的胆识。扩大自己的想象空间, 学会并重视通过实验来解决问题, 从而产生新的成果甚至重新构建知识的意义。激发学生的创造性思维, 培养学生的独立性和创新能力。

3.降低传统实验的危险性和实验教学成本

以往对于危险的或对人体健康有危害的实验, 学生无法直接参与, 而采用虚拟实验系统进行模拟仿真实验, 则允许学生放心地去做各种危险的或有危害性的实验, 体验不一样的感受。虚拟实验教学, 学校可以减少真实实验室仪器设备的配置, 降低实验教学成本;虚拟实验教学仪器设备、原材料可以自动复原、无限使用, 大大降低了实验教学资源成本。同时, 虚拟实验教学系统可以将实验搬进教室, 结合理论课在讲台上演示, 从而解决理论教学和实验教学各自独立、相互分离的问题, 及时强化教学效果, 提高实验教学的质量。

二、体验式虚拟实验系统构建的技术要求

构建实验虚拟系统有多种方法, 用技术实现教育功能, 虚拟实验教学具有虚拟对象与真实实验仪器特性一致, 实验过程交互性强、即时反馈操作结果, 同时允许多人协作实验, 因此构建虚拟实验教学系统的技术层面要符合以下两点要求:

1.模拟学生认识事物的一般逻辑

面向对象方法是一种按照人的一般思维方式建立模型, 以便人们自然地认识真实世界中的事物, 寻求解决问题的普遍方法。这种方法模拟人们认识客观事物较高层次的逻辑思维过程, 即对事物的分类、认知和管理。虚拟实验的过程具有灵活性、可理解性、重复性、扩充性和模块化, 而这些需求面向对象技术可以实现, 通过面向对象技术, 可以将客观世界直接映射到面向对象空间, 把实验过程中涉猎的事物抽象成对象, 建立对象和对象之间的内在的联系来进行系统开发。将实验过程分解成具体的动作, 并与键盘的操控和鼠标的拖曳、点击等动作构成映射。能够对虚拟对象进行平移、旋转、颜色和透明度调整等操作。因此面向对象技术就成为构建虚拟实验系统的关键技术。

2.支持学生协同合作学习

体验式虚拟实验的过程, 就是学生在高仿真的实验环境中完成和现实实验一样甚至现实实验中无法完成的实验项目的过程。在此过程中, 有许多实验项目需要多个学生, 协同才能完成, 学生之间的合作是实验过程中一个关键环节, 所以在体验式虚拟实验系统设计中要用技术实现学习、教育的功能, 使虚拟实验系统达到与真实实验相近和等同的效果。提高虚拟环境与用户之间的交互效率, 实现多用户的并发协同操作, 而且操作后立即看到操作产生的结果是支持学生协同合作学习的核心, 因此对实验元件、实验环境和实验现象的模拟要具有易修改、可移植、安全稳定及可兼容的特性。将多个技术相融合开发, 优势互补对虚拟实验及时强化无疑是技术保障。

3.高效率的实时处理动态数据

学生在实验的过程中涉及的实验预约、实验操作、实验结果查看、分析意义构建等环节的数据, 这些数据随着实验类型、性质的不同和学生个体实验过程的体验感受不同而随时变化, 是动态的数据, 而且处理要及时。因此虚拟实验系统在技术层面要解决大量数据的存储、计算等信息处理的速度与效率。

4.虚实结合的交互技术

体验式虚拟实验过程中实验的每一个步骤细节都是学生和虚拟环境相互作用的过程, 交互性很强, 所以在体验式虚拟实验的交互中将光电显示技术、多传感器技术和计算机图形与多媒体技术相结合, 把计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实场景相融合, 使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实场景的组成部分, 真正体验学习过程。

三、体验式虚拟实验系统的构建过程

学习心理学告诉我们通过体验获得的知识是最牢固的也是真正属于自己的知识。体验式虚拟实验由学生操作虚拟实验对象的体验过程和对实验过程进行回忆反思形成意义建构两个阶段。前者是学生和情境相互作用的过程, 通过与情景的相互作用, 学生可以获得具体的感受, 并根据各自先前的知识经验形成自己对新知识的感性认识;第二阶段是学生通过相互交流、会话进一步对实验内容的认识并形成与客观现实一致的意义建构。

在体验式虚拟实验一开始学生就与计算机模拟的交互式三维空间环境接触, 进行人机互动。通过学生与仿真环境的相互作用, 借助人对所接触事物的感知和认知能力, 帮助启发学生的思维, 以获取实验内容的知识和逻辑关系, 在实践中获得知识和经验。虚拟实验教学是借鉴真实实验的一般过程、方法基础上的情景模拟, 它具有类真实实验教学的环节和步骤, 具体包括:

1.学生和环境相互作用的桥梁——人机交互界面

(1) 界面要求。

虚拟实验系统不等同于真实的实验室环境, 虚拟实验进行的过程始终是以人机交互为基础的, 实验伊始, 学生就和计算机接触, 通过输入输出设备对虚拟对象进行可视化操作, 展开人机交互交流。因此, 人机互动界面要简洁方便、易于操作, 逼近物理原型的人机界面是虚拟实验系统要解决的首要问题。通过虚拟实验的界面既要使实验者感觉到处于解决实际问题的情境中, 又要体会到发现实验问题和寻求解决实际问题方案过程的成就感。[2] 使学生感觉友好地、自然地进入体验过程。

(2) 技术实现。

Quest3D虚拟现实平台可以将各种媒体元素或媒体内容集成, 并通过搭积木的方式, 将各种媒体元素联系结合做成一个交互的内容展示平台。该平台可修改虚拟对象的属性并且可以跟常用的许多VR硬件做结合, 而不用重新编写对应的程式, 为虚拟环境模拟提供技术支持。VRML也可建立3D多媒体实现实验建模, 动态修改视听觉对象。VRML还可实现传感器节点类型, 它们能够决策学生和虚拟环境的交互。

2.模拟环境——设疑设问

(1) 构建适合的虚拟环境。

首先在虚拟环境中呈现类现实的实验项目, 明确实验项目的详细内容, 同时提供相关的仪器设备。实验辅导员依据建构主义学习理论与学生的实际情况、基础知识等初始水平, 模拟适合的实验情景, 设疑设问给学生以任务驱动, 提出具有可操作性和可测量性的实验目标, 让学生明确实验的任务, 通过亲身操作实验, 体验知识的形成、包括自己已经掌握的熟知, 也要随着实验的进展进行意义建构, 知识结构重组, 获得问题解决的途径, 感受问题解决后的成就感。

在虚拟实验教学的过程中, 应有意识地安排一些学生容易联想到的缺省、留白、好奇之处, 让学生推断补充出来, 引发学习兴趣和求知欲, 进而让学生体验到学习成功的愉悦感。虚拟实验系统依据高仿真的模拟可让学生在虚拟情境中的体验更加丰富, 并通过记录、监控实验开展的进程, 诊断学生学习的状态, 并及时地给予指导性建议和诊断评价。让学生的疑问随着实验的深入而得到解决, 或者意识到下一步该如何进行实验。

(2) 设置实验中用到的仪器设备。

当用户选择了某个具体的实验项目后, 先利用系统提供的实验内容进行实验预习, 引导学生按照实验预习的要求, 根据实验的具体要求详细地选择、组装、组合完成实验所需要的各种仪器设备, 并设置实验仪器即虚拟对象的各种属性, 使实验仪器的工作状态满足实验的要求。[3]

(3) 了解实验中的注意事项。

在虚拟实验过程中, 有些实验不是现实中轻易能做的, 所以学生缺乏防范意识和体验感受, 实验过程中难免有盲目性, 因此, 在虚拟环境中准备实验时要和现实联系在一起, 特别是现实中有危险的实验项目, 让学生预见实验的要害, 然后展开实验, 提高学生在现实中对危险实验的警惕性和安全意识。

3.参与、体验实验过程——实现问题解决

(1) 在体验中展开实验。

选择实验项目、设置好实验仪器的各种属性, 然后开始实验。学生在虚拟环境中, 不断与环境发生交互和相互作用, 通过操作、亲历实验过程, 分析实验现象, 采集处理实验数据, 验证实验假设, 提高对反馈的反应能力和信息捕捉能力, 进一步对实验的因果关系进行理性思辨。

(2) 调动学生实验兴趣和探究精神。

实验中利用提示帮助或小游戏等方式鼓励学生继续实验的信心, 促使学生要发挥主观能动性有意识地依托自己已有的知识和经验, 用自己的语言明确地表述实验过程, 并按自己的思维方式编码实验结果, 以达到体验问题解决的实验目标。

(3) 通过体验实验深化知识。

在体验尝试和验证的过程中实现问题解决的目的, 打破自己原有的认知平衡, 重新组合知识结构, 使自己的知识体系更新、知识量加大, 形成更高层次的、有序的、新的知识体系。

4.反思实验过程总结经验——提高解决现实问题的能力

体验式虚拟实验是在虚拟环境中进行的体验过程, 实验中学生不断产生新经验、新知识, 并发展适应自然与社会的能力, 促进个人全面发展。分析、总结和反思虚拟实验的进程、叙述自己对实验的理解和反应, 总结问题解决的方法, 提高解决问题的能力, 主动找出自己的差距和不足并努力缩短差距弥补自己的不足, 与学习伙伴共同进步。

反思实验过程时把虚拟情境与真实世界相比较, 把虚拟实验和现实问题联系起来, 使得在虚拟情境中掌握的知识经验和解决问题的方法正确有效地迁移于实际情境中, 努力做到具体问题具体分析, 有步骤、有计划地处理实际问题。[4]

体验式虚拟实验教学系统作为现实实验教学的有益补充, 真正让学生体验知识的形成、意义的建构, 对实验教学的质量和效率有很大的提高。本文从体验式虚拟实验教学系统的功能要求、构建原则、技术要求和构建过程四个方面进行了研究, 分析了体验式虚拟实验教学系统基本功能, 提出了体验式虚拟实验教学系统构建的基本原则, 探讨了体验式虚拟实验教学系统构建的技术, 设计规划了体验式虚拟实验教学系统的构建过程, 认为体验式虚拟实验教学系统的构建可对学生提供知识形成的过程体验, 让学生感受真正的学习只有体验才能完成, 同时可以替代现实实验教学的部分内容, 弥补现实实验教学的不足。

摘要：随着信息技术的日新月异, 教育技术的推陈出新, 体验式虚拟实验使得以学生为中心的教学现实成为可能。我们从体验式虚拟实验教学系统的功能要求、构建原则、技术要求和构建过程四个方面进行了研究, 分析了体验式虚拟实验教学系统基本功能, 提出了体验式虚拟实验教学系统构建的基本原则, 探讨了体验式虚拟实验教学系统构建的技术要求, 设计规划了体验式虚拟实验教学系统的构建过程, 对真实实验予以最优化和补充完善。

关键词：体验,虚拟实验,教学系统

参考文献

[1]黄锦敬.略论虚拟实验的模型及其在教学中的应用[J].武汉科技学院学报, 2008 (11) :15.

[2]刘伟.PROTEUS在电子实验教学中的应用研究[D].济南:山东师范大学, 2008.

[3]陈劲松.虚拟实验室在实验教学中的应用研究[J].大众科技, 2010 (3) :10.

计算机虚拟实验教学系统发展浅析 篇9

关键词：虚拟实验,教学系统,现状,问题,建议

一、我国虚拟实验教学系统研究现状

1. 我国虚拟实验教学系统研究起步晚发展快。

随着人工智能、仿真技术、数据库技术、多媒体技术等相关技术的快速发展, 虚拟实验的研究越来越受到重视。我国部分大学已陆续建立了网络虚拟实验系统。

华中科技大学远程教育“液压与气压传动”小组研发了“液压回路性能和液压元件装拆”虚拟实验。基于三维环境基础上, 实现了“液压元件装拆”虚拟实验运行, 学生在虚拟现实环境中, 观摩各零件的结构形态特征, 明确零件相互装配关系, 并且可以动手进行元件的装配和拆卸。运用JAVA技术开发了“液压回路性能测试”虚拟实验, 学生在实验界面输入不同的实验参数, 观察对应的实验现象变化和实验结果曲线图变化。

2. 我国虚拟实验发展极度不平衡。

(1) 地域不均衡。江苏、北京、浙江、广东等东部发达地区研究相对比较多;甘肃、宁夏、西藏、新疆等中西部地区研究较少。 (2) 人员不均衡。虚拟实验研究人员基本上来自高等学院, 占总数的94%, 并且是高等学校的教育技术研究者或理工科研究者;大专院校、职业技术学校、中学的研究者很少, 特别是缺少一线教师的参与。

二、目前我国虚拟实验研究存在的问题

1. 虚拟实验系统通用模型缺乏, 造成资源浪费、技术对比、重复开发。

2. 系统性研究缺乏。

虚拟实验室设计开发的比较多, 对应用虚拟实验进行教学的研究比较少, 没有关于虚拟实验教学的教学设计和教学模式的研究, 没有关于虚拟实验评价和管理方面的研究。

3. 虚拟实验界面设计与导航方面存在以下问题:

一是缺乏提示和帮助;二是没有统一的操作界面和规范;三是缺乏虚拟实验过程模型的设计。

4. 虚拟实验开发人员大部分来自高等院教师和研究生, 中学一线教师参与少。

三、我国虚拟实验教学系统研究的建议

1. 开发虚拟实验系统通用模型。

采用合适的工具, 开发某一学科的虚拟实验系统模型, 使用者和研究者根据需要在此基础上进行二次开发, 节省时间, 提高绩效。

2. 加强系统性研究。

一是要推广现有虚拟实验系统在教学中的应用。通过学生和教师的使用, 才知道虚拟实验室的设计是否合理。学生和教师在使用过程中, 提出需求和建议, 推动虚拟实验合理的建设发展。二是加强虚拟实验教学模式和设计的研究。虚拟实验虽然不是新鲜事物, 但是关于成熟的虚拟实验教学模式还没有。目前还需根据真实实验的要求和虚拟实验教学的功能和特点, 以及学生的知识水平, 探究虚拟实验教学的教学设计和模式。三是开展测试、管理、评价等标准和规范的研究。制定虚拟实验平台和系统的测试、管理、评价等标准和规范, 为建立统一的虚拟实验教学环境提供依据和保障。实现平台和资源的高度共享, 通过标准与规范的有机结合, 解决分布式实验教学与现有教学系统协同工作问题, 提高共性和复用性。

3. 注重教学设计。

虚拟实验教学是为了弥补传统教学的不足, 提高学习绩效, 提高学生解决实际问题的能力。研究者设计开发前进行教学设计很重要, 也很必要。在教学设计中注意以下原则:一是强调对虚拟实验环境的设计;二是从学习者自身出发, 强调以学习者为中心;三是重视“情景”对学习者的意义建构功能;四是重视学习者之间的交流关键作用;五是强调实验室、课堂和网络三种学习情景的有机结合;六是强调实验内容相关信息对学习者“学”的强化, 加强“素质拓展”部分的设计。

4. 良好的操作界面, 加强人性化设计。

虚拟实验系统使用者在操作过程中很难通过感官来预期操作结果, 容易迷航, 不知所措。我们新买的手机、电子词典、MP3等电子产品, 如果在没有仔细阅读说明书的情况下, 就会操作不顺利, 要花一定时间去熟悉才可以顺利进行使用。没有良好直观的操作界面与导航按钮, 使用者就会为熟悉操作步骤和找自己需要的相关信息而浪费时间。界面设计是软件与用户交互的最直接的层面, 界面好坏决定用户对软件的第一印象, 而且设计良好的界面能够引导用户自己完成相应的操作, 起到向导的作用。同时界面如同人的面孔, 加强人性化设计, 能够吸引使用者进行操作。系统在相应的时间给出相应的提示、或意见、或激励性的话语, 加强人性化设计, 能够帮助学生顺利完成任务

结语

虚拟实验是信息时代的产物, 是重要的数字资源。任何事物的发展都需要一个过程, 现在, 我国虚拟实验的研究还存在很多问题与不足, 需要研究人员结合人类认知过程、教学设计理论、多媒体信息呈现方式等方面研究, 形成一套系统的设计、开发、实施、管理、评价模型与方案, 逐步推广辅助教学。相信, 随着计算机技术、网络技术、人工智能技术、多媒体技术、神经网络以及教育学、心理学等综合发展, 网络带宽速度的提高, 网络虚拟实验系统的建设将取得更大的进展, 远程教学将有更加美好的未来。

参考文献

[1]张红军, 吴志刚.VRML与JAVA在网络虚拟实验中应用[J].实验室研究与探索, 2006, 25 (9)

[2]徐红, 刘羽.计算机专业虚拟实验教学环境的改革与实践[J].实验技术与管理, 2009, 2 (2)

虚拟实验教学系统 篇10

关键词：虚拟仪器,LabVIEW,信号与系统,实验系统

实验对于培养学生的实际操作能力和解决分析问题的能力至关重要。而对于多数工科课程,实验需要配置多套仪器设备,而且投资巨大,这对于经费紧张的普通院校难以满足,因此造成仪器设备缺乏和陈旧等现象,严重影响实验教学[1]。随着计算机和网络技术的发展,由美国NI公司推行的虚拟仪器技术得到了广泛的应用,虚拟仪器逐渐取代传统测试仪器已成趋势。信号与系统是通信、仪器仪表和电子信息类专业的基础课,重点研究确定性信号经线性时不变系统传输与处理的基本概念和基本分析方法[2]。在实践性较强的信号与系统课程中运用虚拟仪器技术,以计算机为硬件系统,构建集成化信号与系统虚拟实验系统,代替传统仪器仪表,利用其强大的信号分析与处理功能和友好的用户界面不仅可节省仪器设备的经费投入,也有助于提高实验教学水平[3]。

1 虚拟仪器技术及LabVIEW简介

虚拟仪器技术由美国国家仪器公司NI(Nation Instruments)提出,其核心思想是“软件即是仪器”,就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。结合计算机硬件、软件开发系统、接口硬件构成虚拟测试系统,与传统仪器相比,具有充分利用计算机资源,开发和维护成本低、开发效率高、易于实现自动化、智能化和网络化等优点[4]。

美国NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench)是一种图形化编程语言的开发环境,被广泛地应用与工业、学术和实验室,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW使用的是图形化编辑语言C语言编写程序,产生的程序是框图的形式[7]。

2 虚拟实验系统设计

以计算机为硬件平台,以LabVIEW8.6为软件平台,开发一个“信号与系统”的虚拟实验系统。

2.1 结构框图

虚拟实验系统能够完成信号产生、滤波、频谱分析、调制解题、卷积和抽样等,即包括3个大模块:(1)典型信号产生。(2)信号时域分析。(3)信号频域分析[5]。其结构框图如图1所示。

设计的虚拟实验系统主要包括8个实验,点击对应的布尔控件即可进入实验子模块,同时实验系统主界面还包括登录框、系统简介、帮助、退出系统控件,以及运行指示、登录状态的指示灯。虚拟实验系统的主界面如图2所示。

2.2 程序设计

本次设计的虚拟实验系统包括8个实验模块,现在主要介绍4个实验模块。

2.2.1 虚拟信号发生器

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器,本设计的虚拟信号发生器包括周期信号和非周期信号,其中周期信号包括正弦波、三角波、锯齿波、方波,而且其幅值、频率、相位、方波的占空比可调;非周期信号包括斜坡信号、冲激信号、Sinc信号、脉冲信号,幅值等参数可调,而且公式信号可以根据输入波形公式产生任意波形;另外,设置了是否添加噪声的布尔控件,噪声幅值可调,而且设置了均匀白噪声、高斯白噪声、泊松噪声、周期性随机噪声等,通过下拉列表可以选择添加噪声类型。该虚拟示波器可以可以用于信号发生器的认识、信号及信号类型的认识等教学实验,操作方便、能够直观地观察到各种波形[6]。虚拟信号发生器的前面板如图3所示。

2.2.2 信号调制与解调

在通信系统中,信号从发射端传输到接收端,为实现信号的传输,往往需要进行调制与解调。载波信号的幅值、频率、相位可以随信号成比例的改变,因而对应就有振幅调制、频率调制、相位调制。本实验模块是振幅调制,面板如图4所示。

2.2.3 验证采样定理

在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs·max≥信号中最高频率fmax的2倍时,采样后的数字信号能够完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍,这就是采样定理,又称奈奎斯特定理。设计的验证采样定理模块一方面直观地再现了模拟信号到数字信号的转换过程,即经过了抽样信号离散化;另一方面验证了抽样定理,即设定固定的模拟信号幅值和频率,更改采样频率,当采样频率fs和信号频率f满足fs≥f时,才能得到正确的离散信号。验证抽样定理模块的前面板如图5所示。

2.2.4 滤波器

巴特沃斯滤波器是滤波器的一种,其采用的是巴特沃斯传递函数,有低通、高通、带通、带阻等多种滤波器类型。设计的滤波器是巴特沃斯滤波器,根据下拉列表可以选择低通、高通、带通、带阻等滤波器类型。使用了LabVIEW自带的仿真信号源,添加噪声后得到仿真信号,然后选定滤波器类型,并且设置低截止频率、高截止频率,得到滤波后的信号的波形。滤波器模块的前面板如图6所示。

2.3 生成应用程序

为了开发的虚拟实验系统脱离LabVIEW开发环境,方便安装使用,将labVIEW文件生成应用程序。即保存labVIEW文件,新建项目,导入文件;右键点击生成应用程序规范,在源文件栏将文件加入,并且将子VI,dll等文件都一起导入,点击生成应用程序。

3 结束语

利用计算机硬件和LabVIEW8.6软件,设计了“信号与系统”的虚拟实验系统,该虚拟实验系统可以用于课程的实验教学,实现学生对信号的认识以及了解信号处理的方法。该虚拟实验系统利用虚拟仪器技术,充分利用计算机资源,将虚拟仪器技术用于实验教学,一方面降低了实验成本,另一方面生动直观的实验操作也将提高教学水平。

参考文献

[1]王怀兴.基于LabVIEW的信号与系统仿真实验系统设计[J].湖北第二师范学院学报,2009,26(2):76-78.

[2]郑君里,应启珩,杨为理.信号与系统:上册[M].2版.北京:高等教育出版社,2000.

[3]李香萍.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].实验室科学,2009(5):128-129.

[4]王小玲.基于PC的虚拟仪器在信号与系统实验中的应用[J].西南民族大学学报:自然科学版,2004,30(6):848-852.

[5]罗文秋,赵四化.基于LabVIEW的“信号与系统”实验系统设计[J].北京印刷学院学报,2010,18(6):51-54.

[6]王丽君,刘悦,黄永亮,等.基于LabVIEW的虚拟信号发生器及示波器的设计[J].华北水利水电学院学报,2010,31(3):56-59.

虚拟实验教学系统 篇11

关键词：计算机组成原理;虚拟实验;Visual C++6.0;图形用户界面

中图分类号：G434             文献标志码：A           文章编号：1673-8454（2015）04-0080-03

一、 引言

《计算机组成原理》是计算机专业的专业基础课，既具有很强的理论性，生涩难懂，又具有很强的实践性，需要在搞好课堂教学的同时加强实验教学。[1]《计算机组成原理》实验一般分解为运算器、存储器、微程序控制器等若干个实验单元，在有限课时的教学进度下逐一安排教学。由于实验设备电路复杂、排布线密度高、调试困难等众多因素影响，学生很难在实验室巩固和掌握课堂内容。[2]

为此，笔者在实验教学过程中结合西安唐都公司开发的TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统，采用面向对象的Visual C++6.0软件，基于Microsoft Foundation Classes（MFC）类库，分析、设计并实现了一个计算机组成原理虚拟实验系统。该系统简单、可靠，能够移植到大多数Windows环境的PC机，学生能够在课外自由安排实验时间，完成对课堂和实验室内容的补充学习，进而改善教学效果。

二、 虚拟实验系统的设计

1.TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统简介

TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统采用部件单元式结构，包括运算器、存储器、控制器、总线、外围接口及输入输出设备、大规模可编程逻辑器件等。线路板上设置了大量的开关、指示灯、插线孔等，学生可根据自己设计的模型计算机结构方案，运用排线连接方式或计算机电子自动逻辑设计方式来构造不同结构及复杂程度的原理性计算机，并观察系统运行过程中各种数据和控制信号状态及其时空关系。系统微程序指令、控制器结构及运算器结构的格式及定义均可由学生根据学习需要灵活改变或重新设计，避免了单纯验证性的实验模式，提高了学生计算机系统的综合设计能力。

2.计算机组成原理虚拟实验系统的设计

计算机组成原理虚拟实验系统是对TDN-CM+系统的仿真，设计中除了要保持用户界面的一致性，还要方便用户操作和确保实验结果的高度准确，即简洁性和可靠性。计算机组成原理这门课程主要介绍各主要功能部件的基本结构和工作原理。[3] [4] 因此，本系统在设计中利用面向对象程序设计方法，对TDN-CM+系统的运算器、存储器、微程序控制器和数据通路等功能部件进行仿真，并通过课程设计实现一个较完整的模型机，在实验中了解、熟悉完整的单台计算机基本组成原理。

为方便教学和师生交流，还需实现教学模块。学生从实验列表中选择要进行的实验项目。在做实验之前，用户可以查看实验项目的实验指导，了解实验的原理、要求和注意事项，然后通过播放实验项目教学演示录像加深理解。每个实验都准备了一定数量的填空题和选择题，学生在完成实验后填写好答案提交后，系统即可自动给出得分。

虚拟实验系统总体结构如图1所示。

三、 虚拟实验系统的开发

1.实验操作界面的开发

为了保证虚拟实验系统与TDN-CM+系统的一致性，让用户获得良好的体验，本虚拟实验系统采用图形用户界面。系统界面采用数码相机拍摄，截取出各个按钮、元件、开关、LED灯、插头等图片，用Photoshop进行优化，并对应加载VC++的静态控件和按钮控件。

本系统由学生自主插线，线区位于主界面右侧，线型分为二、四、六、八口线。点击线区内线型号标识生成对应型号的线，拖拽线头移动到相应接口，在控制信号的控制下产生流通数据。主界面的开关分为数据开关和控制开关，利用鼠标左键点击主界面上的模拟开关，即可产生数据或控制信息。为提高虚拟实验教学效果，本系统对用户的错误操作做出更正提示。例如，如果在电源打开状态下进行插线，系统将会弹出“请先关闭电源”的对话框，其他漏连、连错、反向等错误操作产生的效果类似。虚拟实验界面和操作效果与真实系统保持完全一致，主界面如图2所示。

2.存储器虚拟实验的具体实现

下面以存储器虚拟实验为例，说明本虚拟实验系统的虚拟实现原理。存储器是计算机进行各种信息存储和交换的中心，存储器的实验操作包括写入数据和读取数据。[5] 写存储器的操作步骤为数据开关输入访存地址，将地址存入地址寄存器;再从数据开关输入数据，若ROM存储器的片选信号和写信号有效，将数据存入由地址寄存器给出的RAM响应地址的存储单元中。读存储器的操作步骤为数据开关输入访存地址，将地址存入地址寄存器;若RAM存储器的片选信号和读信号有效，从响应地址中读出存储单元中的数据。数据写入和数据读取均需要操作相应的控制信号来使相应部件执行所规定的操作。程序流程图如图3所示。

线的产生与操作、信号的产生与传递的具体实现如下：

 （1）线的产生

线区共有八口线、六口线、四口线和二口线四种接线供选择。通过矩形类CRect设置响应产生新线的区域，点击该区域，调用成员函数PtInRect（），如果生成新线变量preplug =FALSE，产生新线;如果线的类型变量linetype=2，产生二口线;如果preplug =TRUE，弹出对话框“当前还有线未用”。

（2）线的操作

包括删除、移动、旋转以及与线柱的连接。通过矩形类CRect设置响应删除线的区域，只有线的两端portA、portB皆处于删除区才调用RemoveAt（）函数删除。

移动接口变量movingport='A'表示移动的是A端，B端静止。调用MoveTo（）和LineTo（）函数绘制线。

线柱分为横向线柱和竖向线柱。按下鼠标右键时调用函数OnRButtonDown（）实现接口的旋转，鼠标右击一次，线顺时针旋转90度一次。旋转接口变量direction等于2和4表示线横向，等于1和3表示线竖向。

通过矩形类CRect对象设置响应插线区域，如INPUT DEVICE区SW_B线柱，用CRect对象PutLine_SwitchSWB_click（）设置插线响应区域，Removeline_SwitchSWB_click（）设置拔线响应区域。调用OnLButtonUp（）函数和OnLButtonDown（）函数分别完成插线操作和拔线操作。

（3）信号的产生

信号根据其作用可分为数据信号和控制信号两种。各按键的响应函数具体实现如下：

①电源开关响应函数：电源变量power = TRUE，电源打开，才会更新数据，包括各种数据的输入与输出，控制信号的传递等;power = FALSE，电源关闭，通过调用Clearmem（）函数清空存储器，重置地址寄存器地址变量data=255。

②数据开关控制开关响应函数：用字符型变量data代表线与线之间传递的信号。data值从高位到低位依次代表数据开关按钮D7-D0的输入值，对应位为低电平则加载向上拨的电平开关。因为控制信号均由二口线传递，所以用data高二位表示电平的高低，data=0代表低电平，其他非零情况代表高电平。

③start键响应函数：按下start键时调用OnLButtonDown（）函数，将控制信号赋给变量TS3。

（4）信号的传递

指针puton为指向插在线柱上的线，为NULL表示没有插线。在插线状态下，通过按钮产生信号并传递，例如连接好INPUT DEVICE区和SWITCH UNIT区的SW_B线柱后，点击SWITCH UNIT区SW_B按钮，产生控制信号data，通过调用 Exportdata（）函数和Inportdata（）函数分别传出和接收控制信号data，控制数据开关输入的数据信号传递到数据总线，并通过总线LED灯显示。存储器实验数据信号、控制信号流向如图4。

四、 结束语

《计算机组成原理》实验连线繁多，操作复杂，虚拟实验系统可以帮助学生实验前熟悉实验操作，减少由于学生错误操作导致的芯片损耗、仪器破坏，有效降低维护成本。学生可以随时随地做实验，不再受场地、课时的限制，有助于加深学生对实验原理的理解，提高教学质量。通过对计算机组成原理虚拟实验系统的测试，采用全软件形式模拟计算机硬件实验系统，具有方便快捷、高效、交互性强等优势，不仅能够完成计算机组成原理实验的要求，还提高了教师工作效率，增强了学生实践能力，具有在实验教学中推广和应用的价值。

参考文献：

[1]王玉华，黄硕之.计算机组成原理课虚拟实验方案[J].实验技术与管理，2005（4）：73-75，80.

[2]郝尚富，张志强，孙佰利.计算机组成原理虚拟实验环境的设计及实现[J].计算机仿真，2009（11）：320-323.

[3]陈智勇.计算机组成原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[4]白中英，戴志涛.计算机组成原理[M].北京：科学出版社，2013.

[5]王贤勇，王金亮，许艳丽.基于软件仿真的存储器实验设计[J].实验室研究与探索，2006（7）：803-805.

虚拟实验教学系统 篇12

1. 高等教育在教学中存在的问题

高等教育实训课程现场教学很多时候受到各种限制条件的约束, 一些大型实验设备占用大面积的场地, 不能很好地让学生自己动手操作, 老师也只是对学生进行理论培训, 导致很多学生不明白实验原理。

很多的实验设备只是针对教学实验, 没有用于生产加工, 更新速度较慢, 如果对设备不断进行更新, 又会导致投入巨大, 造成不必要的浪费。同时一些高端的设备的价格相对较高, 结构也十分复杂, 大量采购这些设备增加了教学经费, 机器的成本较大。

在文理科专业教学中, 很多都是对理论的讲解, 教学实践相对不足, 导致学生对知识的掌握很不牢固, 在处理相关问题的时候, 也就不能灵活运用这些知识。老师在平时的讲解过程中, 都是通过多媒体进行学习, 学生获取的这些知识只是简单的理论, 导致很多实验效果不理想。

2. 模拟电路虚拟实验教学系统具体实例

模拟电路是电子信息专业的基础课程, 也是实验性较强的课程, 对虚拟实验教学系统的运用, 可以很好地提高学生的实践知识。虚拟实验一般都是借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术, 很大程度上打破了传统实验教学的局限, 极大地提高了教学效果。在学习数控加工课程期间, 学生按照老师的要求在仿真系统软件上对数控铣床进行了仿真实验。首先要让学生掌握计算机辅助铣削加工的基本方法, 了解数控铣床操作面板各按键的功用、数控铣床的调整及加工前的准备工作;然后对给出零件图形进行手工编程, 用txt格式文本进行传输, 并模拟铣削出指定的零件。

3. 模拟电路虚拟实验教学系统的优点

在国外, 有很多高校都已经将虚拟技术成功运用在教学中, 并且开发了许多的功能性虚拟教学软件和虚拟仿真教学平台, 在教学中可以很好的选用教学实验, 同时也确定了仿真教学系统的功能和体系结构, 能很好地进行实验教学、开发相应的系统软件, 教学试验和实践可以在虚拟实验中进行, 从而不必购置昂贵的实验设备, 又可以增加学生的实践教学, 在实验工程中培养和提高学生的动手能力、分析问题和解决问题能力。

模拟电路虚拟实践教学系统主要是采用虚拟现实技术, 应用软件手段进行视觉和听觉的模拟。采用虚拟实验教学具有很多优势。在实验教学中可以让学生亲身体验, 增加教学内容的可视化, 虚拟教学系统可以添加大量的多媒体素材, 还能很好地讲解实验原理, 展示设备的内部结构, 确保教学实验的互动性和真实性, 提高学生学习效率以及对知识点的掌握, 学生自己也可以大胆动手操作。利用虚拟现实系统, 学生在实验室可以通过老师的讲解自己进行虚拟仿真实验, 获得真实的操作体验。因此还可以减少实验过程中的安全隐患, 比如, 在进行数控实验操作的时候就有很大的危险性, 利用虚拟实验教学系统进行教学实验, 学生在虚拟的实验环境中, 可以全身心进行课程项目实验, 大大降低了教学风险, 确保了人身和设备的安全。

4. 结束语

对于我国当前的教育形势, 虚拟实验教学系统具有很大的发展空间, 我们要大力发展虚拟实验教学, 提高教学质量, 为社会提供广大的就业和培训的机会, 创造更大的经济效益与社会效益。

摘要：随着社会经济的不断发展, 我国教育制度的不断改革, 网络化教育已经涉及各个课程, 课堂内容也变得越来越多样化, 计算机应用软件越来越多, 对我国经济发展起到重要的作用。实验教学课程都有实物作为课程基础, 在网络上无法直观地进行实验操作, 在理工科网络学习中, 实验教学问题也一直没有很好地解决。本文针对模拟电路虚拟实验教学进行研究, 探讨模拟电路虚拟实验在教学中的应用, 对于模拟电路虚拟实验教学系统, 也就是模拟真实环境下实验的器材和原理进行开发的虚拟平台, 学生在这个平台上可以随意开展实验, 老师对学生的实验进行指导, 通过这样的方法不断提高学生的学习能力。

关键词：模拟电路,虚拟实验教学系统,研究

参考文献

[1]成艳真.虚拟现实技术VR在计算机类教学中的应用[J].晋城职业技术学院学报, 2011, 04 (02) .